Modifizierte Lidar-Technologie verbessert Windenergieanlagen   >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>

Leichtere Auslegung, größere Ausbeute

Die Lidar (Light Detection and Ranging)-Technologie, ein laser-optisches Verfahren, wird im Bereich der Windenergie zur Messung von Windrichtung und Windgeschwindigkeiten vom Boden aus eingesetzt. Wissenschaftler des Stiftungslehrstuhls Windenergie (SWE) der Uni arbeiten an einem Prototyp, der die Windverhältnisse von der Gondel aus erfassen kann. Die genaue Kenntnis des eintreffenden Windfeldes erlaubt einen vorausschauenden Eingriff in die Anlagensteuerung. Das Ziel ist es, dass Windenergieanlagen leichter dimensioniert werden können, Betriebskosten zu senken und die Energieausbeute zu erhöhen.

Ein lokaler Windstoß wirkt aufgrund seiner zeitlichen und räumlichen Struktur gleich mehrfach auf ein umlaufendes Rotorblatt. Bei einer Laufzeit von 20 Jahren kommt es dabei zu bis zu einer Milliarde Lastwechseln. Gleichzeitig werden Windenergieanlagen immer größer, was eine leichtere Bauweise erfordert. Damit die Anlagen den Belastungen überhaupt standhalten, passt die Anlagensteuerung die Ausrichtung des Rotors sowie den Anstellwinkel der Rotorblätter so an die Windverhältnisse an, dass bei zu hohen Windgeschwindigkeiten und extremen Windböen die Lasten möglichst niedrig bleiben. Alle bisher gebräuchlichen Regelungsverfahren haben jedoch den Nachteil, dass sie bei Windschwankungen erst nach der lokalen Belastung mit einer Änderung der Drehzahl des Rotors reagieren. Dann sind relativ schnelle Eingriffe erforderlich, die wiederum zu Belastungen und Ertragseinbußen führen. Kennt man dagegen ein Windfeld schon bei seinem Eintreffen genau, lässt sich die Anlage frühzeitig dementsprechend steuern. Dadurch können die Lasten gesenkt und der Energieertrag optimiert werden. Das gilt nicht nur für einzelne Anlagen, sondern auch für ganze Windparks. Misst man mit der Lidar-Technologie den Nachlauf von Windenergieanlagen, also die Windströmung hinter dem Rotor, so ist es möglich, die komplexen Effekte und Überlagerungen von Windströmungen zu ermitteln. Auf Basis dieser Daten verbessern die Forscher existierende Simulationsprogramme zur Planung des Layouts von Windparks. Somit können die einzelnen Anlagen optimal platziert und damit der Wirkungsgrad des gesamten Windparks verbessert werden.

Lidar-Gerät und Scanner installiert auf einer Fünf-Megawatt-Windenergieanlage in Bremerhaven. Die Nabenhöhe beträgt 102 Meter, der Rotordurchmesser 116 Meter. (Foto: Institut)

Auch horizontale Messungen möglich
Damit dies funktioniert, müssen der einströmende Wind wie auch der Nachlauf allerdings horizontal vermessen werden. Die eingesetzten Lidar-Systeme senden Laserpulse aus und analysieren das von den Aerosolen zurückgeworfene Licht. Wie beim Radar kann aufgrund des Doppler-Effekts aus der Frequenzverschiebung des zurückgeworfenen Lichts die Windgeschwindigkeit errechnet werden. Bisherige Lidar-Geräte erlauben jedoch lediglich vertikale Vermessungen vorher festgelegter Punkte des Windfeldes und sind daher für den Einsatz auf Windenergieanlagen nicht geeignet. Deshalb haben die Stuttgarter Forscher ein marktübliches Lidar-Gerät so modifiziert, dass es auf der Gondel von Windenergieanlagen installiert werden kann und mittels eines am SWE entwickelten Scanners eine horizontale Messung erlaubt. So lässt sich das gesamte Windfeld vor einer Anlage in beliebigen Punkten und kontinuierlich abtasten und daraus die dreidimensionale Wirkung des Windfelds rekonstruieren.
Gegenüber konkurrierenden Ansätzen ist die in Stuttgart entwickelte Technologie deutlich flexibler, da Messstrategien für kostengünstigere Scanner erarbeitet werden können. Die Stuttgarter Gruppe befasst sich zudem nicht isoliert mit der Lidar-Technologie. Diese ist vielmehr eingebettet in einen Forschungsbereich, der die Technologie nutzt und bewertet und dessen Vorschläge direkten Einfluss auf die Entwicklung haben. uk

KONTAKT
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Andreas Rettenmeier
Stiftungslehrstuhl Windenergie
Tel. 0711/685-68325
e-mail: rettenmeier@ifb.uni-stuttgart.de